<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von metalloxidhältigem Material, insbesondere Eisenerz, in einem Reduktionsgefäss, wobei das metalloxidhältige Material aus einem Gefäss für das metalloxidhältige Material in das Reduktionsgefäss chargiert und in diesem mittels eines im Gegenstrom zum metalloxidhältigen Material geführten Reduktionsgases reduziert wird, und wobei aus dem Reduktionsgefäss abgeleitetes, verbrauchtes Reduktionsgas zum Vorwärmen des metalloxidhältigen Materials im Gefäss für das metalloxidhältige Material eingesetzt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der AT-387 403 B bekannt Gemäss diesem bekannten Verfahren werden eisenerzhältige Einsatzstoffe in einem von einer Direktreduktionszone getrennten Vorwärmschacht mittels aus der Direktreduktionszone abgeleiteten und in einer eigenen Brennkammer nachverbrannten Topgases vorgewärmt und kalziniert Das durch die Nachverbrennung gebildete Heissgas weist einen CO- und H2-Gehalt von in Summe mindestens 10 Vol-% auf. Nachteilig ist hierbei, dass ein CO- und H2-hältiges Gas durch den Vorwärmschacht hindurch entweichen kann.
Aus der DE-40 41 689 C2 und der AT-389 124 B sind Verfahren bekannt, gemäss denen eine Vorwärmzone jeweils direkt in den Reduktionsschacht integriert ist. Der Nachteil dieser bekannten Verfahren ist darin zu sehen, dass der Rauminhalt des Reduktionsschachtes nur zu einem gewissen Teil für die Direktreduktion des eisenoxidhältigen Material ausgenutzt werden kann, da ein Teil des Reduktionsschachtes zum Vorwärmen des eisenoxidhältigen Materials benötigt wird
Ein Verfahren zum Vorwärmen von eisenoxidhältigem Material in einer eigenen Vorwärmkammer ist beispielsweise aus der DE-195 25 270 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird Stickstoff zum Vorwärmen eingesetzt. Nachteilig ist hierbei der grosse Stickstoffverbrauch, wobei die grossen Stickstoffmengen auch noch eigens aufgeheizt werden müssen.
Aus der EP-0 157 917 A2 ist ebenfalls eine eigene Vorwärmkammer zum Vorwärmen von eisenerzhältigem Material bekannt. Über die Art der Vorwärmung ist in diesem Dokument nichts ausgesagt
Gemäss DE-34 32 090 A1 wird schwefelhaltiges Erz in einem Schachtofen im Gegenstrom mit Reduktionsgas reduziert. Das den Ofen verlassende Abgas wird in zwei Ströme aufgeteilt, und der erste Strom wird zur Vorwärmung und Entschwefelung des Erzes, welches sich oberhalb des Schachtofens in einem Erzbunker befindet, eingesetzt. Der zweite Strom wird zum Zwecke der Herstellung von Reduktionsgas zusammen mit Kohlenwasserstoffen zu einem katalytischen Gasumwandler geleitet.
Über dem Erzbunker der in der DE-34 32 090 A1 beschriebenen Vorrichtung befindet sich ein Behälter, aus dem Erz in den Erzbunker chargiert wird. In die Verbindung zwischen diesem Behälter und dem Erzbunker wird Inertgas eingeblasen, um das Austreten von schwefelhaltigem Abgas aus dem Erzbunker über diese Verbindung zu verhindern. Mit dieser Massnahme wird somit eine Gassperre errichtet.
In der US-4 212 452 A ist eine Anlage beschrieben, mittels derer Eisenoxid in einem Schachtofen unter Zugabe von festem kohlenstoffhaltigen Material, welches in einem oberen Bereich des Schachtofens vergast wird, und weiters unter Zuführen von CO- und H2-hältigem Reduktionsgas in einen mittleren Bereich des Schachtofens zu Eisenschwamm reduziert wird Das Eisenoxid wird zusammen mit dem festen kohlenstoffhaltigen Material von oben in den Schachtofen eingebracht und durchwandert den Schachtofen von oben nach unten, zum Teil im Gleichstrom mit, zum Teil im Gegenstrom zu den Reduktionsgasen. In einem unteren Teil des Schachtofens wird der durch Reduktion gebildete Eisenschwamm mittels kühlen, trockenen Reduktionsgases gekühlt.
Der Schachtofen ist nach oben und nach unten hin jeweils mit einer mit C02 betriebenen Gassperre abgedichtet, um das unerwünschte Entweichen von Reduktionsgas aus dem Schachtofen zu verhindern. Das CO2 wird hierbei aus dem verbrauchten Reduktionsgas durch Gaswäsche gewonnen. Die Herstellung des Sperrgases ist somit bei dem bekannten Verfahren relativ aufwendig.
Aus der US-3 850 616 A ist eine Vorrichtung bekannt, welche beispielsweise zur Direktreduktion eisenoxidhältigen Materials mittels Reduktionsgases in einem Schachtofen eingesetzt wird Das eisenoxidhältige Material durchwandert den Schachtofen von oben nach unten im Gegenstrom zum Reduktionsgas und wird im unteren Bereich des Schachtofens mit kühlem Reduktionsgas gekühlt. Um das Entweichen von Reduktionsgas aus dem Schachtofen zu vermeiden, ist am unteren Ende des Schachtofens eine mit Inertgas betriebene Gassperre vorgesehen Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung der hohe Verbrauch an teurem Inertgas.
<Desc/Clms Page number 2>
Aus der US-4 248 626 A und der US-4 270 740 A sind jeweils Verfahren bekannt, bei denen eisenoxid hältiges Material in einem Schachtofen mittels Reduktionsgases reduziert wird und in einem baulich mit dem Schachtofen verbundenen Schmelzaggregat eingeschmolzen wird Im Schmelzaggregat wird durch Kohlevergasung das Reduktionsgas erzeugt Das Reduktionsgas wird aus dem Schmelzaggregat abgezogen und vor dem Einleiten in den Schachtofen gekühlt, um ein Agglomerieren des im Schachtofen reduzierten Materials zu vermeiden Um zu verhindern, dass das sehr heisse Reduktionsgas aus dem Schmelzaggregat direkt in den Schachtofen gelangt, ist in der direkten Verbindung zwischen dem Schmelzaggregat und dem Schachtofen eine Gassperre vorgesehen
Der Anmelderin ist bekannt, dass mit Stickstoff betriebene Gassperren, welche Schachtöfen gegen die Umgebung abdichten, üblich sind.
Der Nachteil derartiger Gassperren besteht in der technisch aufwendigen Herstellung von Stickstoff, die sich in hohen Kosten niederschlägt, da Stickstoff in grossen Mengen verbraucht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Gassperre mit einem kostengünstigen Sperrgas betrieben wird.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Reduzieren von metalloxidhältigem Material, insbesondere Eisenerz, in einem Reduktionsgefäss, wobei das metalloxidhältige Material aus einem Gefäss für das metalloxidhältige Material in das Reduktionsgefäss chargiert und in diesem mittels eines im Gegenstrom zum metalloxidhältigen Material geführten Reduktionsgases reduziert wird, und wobei aus dem Reduktionsgefäss abgeleitetes, verbrauchtes Reduktionsgas zum Vorwärmen des metalloxidhältigen Materials im Gefäss für das metalloxidhältige Material eingesetzt wird, dadurch gelöst, dass das aus dem Reduktionsgefäss abgeleitete, verbrauchte Reduktionsgas verbrannt wird und dass mit dem verbrannten, verbrauchten Reduktionsgas eine zwischen dem Reduktionsgefäss und dem Gefäss für metalloxidhältiges Material angeordnete Gassperre betrieben wird,
wodurch das Reduktionsgefäss gegen das Gefäss für metalloxidhältiges Material abgedichtet wird.
Durch die erfindungsgemässe, mit verbranntem, verbrauchtem Reduktionsgas betriebene Gassperre kann aus dem Reduktionsgefäss kein Reduktionsgas, das gegebenenfalls noch erhebliche Anteile an reduzierenden Bestandteilen enthält, in das Gefäss für metalloxidhältiges Material eindringen. Hierbei wird ein Sperrgas eingesetzt, das gegenüber den im Stand der Technik üblichen Sperrgasen, beispielsweise Stickstoff, wesentlich kostengünstiger ist.
Zweckmässigerweise wird das verbrannte, verbrauchte Reduktionsgas vor dem Einsatz als Sperrgas verdichtet. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das verbrannte, verbrauchte Reduktionsgas auf eine Temperatur in einem Bereich von 100-700 C eingestellt bzw. abgekühlt wird.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich zu der mit verbranntem, verbrauchten Reduktionsgas betriebenen Gassperre eine weitere Gassperre mit einem inerten Gas betrieben, wobei sich die weitere Gassperre zwischen der mit verbranntem, verbrauchten Reduktionsgas betriebenen Gassperre und dem Reduktionsgefäss befindet. Hierbei übernimmt die mit dem verbrannten, verbrauchten Reduktionsgas betriebene Gassperre die Funktion einer Hauptgassperre und die mit dem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, betriebene Gassperre die Funktion einer Hilfsgassperre, welche femer dafür sorgt, dass kein verbranntes, verbrauchtes Reduktionsgas in das Reduktionsgefäss eindringen kann.
Auf diese Weise wird weit weniger inertes Gas verbraucht, als dies bei im Stand der Technik bekannten Gassperren erforderlich ist
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Reduktionsgas zumindest teilweise aus einem schwach reduzierenden Gas hergestellt, wobei das Reduktionsvermögen des schwach reduzierenden Gases durch eine Behandlung zur Eliminierung von Oxidanten erhöht wird, wodurch ein stark reduzierendes Gas gebildet wird
Vorzugsweise wird das stark reduzierende Gas auf eine Temperatur im Bereich von 600- 1000 C erwärmt und als Reduktionsgas in das Reduktionsgefäss eingesetzt
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem schwach reduzierenden Gas eliminierte Oxidanten-reiche Gas verbrannt und gemeinsam mit dem verbrannten,
verbrauchten Reduktionsgas zum Vorwärmen des metalloxidhältigen Materials im Gefäss für das metalloxidhältige Material eingesetzt wird.
Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Reduktionsgefäss, welches einen Einlass für metalloxidhältiges Material, einen Einlass für Reduktionsgas, einen Auslas für verbrauchtes Reduktionsgas und einen Auslas für reduziertes Material aufweist, und mit einem
<Desc/Clms Page number 3>
Gefäss für metalloxid hältiges Material, welches leitungsmässig mit dem Reduktionsgefäss verbunden ist, wobei weiters eine leitungsmässige Verbindung zwischen dem Auslas für verbrauchtes Reduktionsgas und dem Gefäss für metalloxidhältiges Material vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet,
dass in der leitungsmässigen Verbindung zwischen dem Auslas für verbrauchtes Reduktionsgas und dem Gefäss für metalloxidhältiges Material ein Brenner zum Verbrennen des verbrauchten Reduktionsgases angeordnet ist und dass in der leitungsmässigen Verbindung zwischen dem Reduktionsgefäss und dem Gefäss für metalloxidhältiges Material ein Dichtbein vorgesehen ist, in welches die Leitung für im Brenner verbranntes, verbrauchtes Reduktionsgas einmündet.
Zweckmässigerweise ist in der Leitung für verbranntes, verbrauchtes Reduktionsgas ein Verdichter angeordnet. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemässen Anlage ist weiters in der Leitung für verbranntes, verbrauchtes Reduktionsgas eine Vorrichtung zum Einstellen der Temperatur des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases in einem Bereich von 100-700 C angeordnet.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mündet im Dichtbein eine Zuleitung fur ein inertes Gas ein, welche Zuleitung zwischen der Leitung für verbranntes, verbrauchtes Reduktionsgas und dem Reduktionsgefäss angeordnet ist.
Gemäss einer noch weiters bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Anlage ist der Einlass für Reduktionsgas leitungsmässig mit einer Vorrichtung zur Herstellung eines stark reduzierenden Gases aus einem schwach reduzierenden Gas durch Eliminierung der Oxidanten aus dem schwach reduzierenden Gas verbunden. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Herstellung des stark reduzierenden Gases eine Druckwechselabsorptionsanlage.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Vorrichtung zur Herstellung des stark reduzierenden Gases eine Zuleitung für das aus dem schwach reduzierenden Gas eliminierte Oxidanten-reiche Gas zum Brenner ausgeht.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung noch näher beschrieben. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Anlagenteile.
Mit der Bezugsziffer 1 ist in der Fig. 1 ein herkömmlicher Schachtofen als Reduktionsgefäss zur Reduktion von Eisenerz bezeichnet, welches aus dem Gefäss 2, das einen Erzbunker darstellt, über das Dichtbein 3 und die Fallrohre 4 durch den Einlass 5 in den Schachtofen 1 gelangt.
Reduktionsgas wird beim Einlass 6 in den Schachtofen 1 geleitet und gelangt innerhalb des Schachtofens 1 im Gegenstrom zum Eisenerz nach oben, wo es als verbrauchtes Reduktionsgas (Topgas) den Schachtofen 1 beim Auslass 7 mit einer Temperatur von etwa 200-3 00 C, abhängig vom Reduktionsgas, verlässt. Das im Schachtofen 1 reduzierte Eisenerz wird beim Auslas 8 aus dem Schachtofen 1 ausgetragen.
Das verbrauchte Reduktionsgas, das den Schachtofen 1 beim Auslas 7 verlässt, wird zumindest teilweise über eine Leitung 9 in einen Brenner 10 geleitet, in welchem brennbare Bestandteile des Abgases, wie z. B. CO, H2 und CH4, verbrannt werden. Gegebenenfalls wird ein Teil des verbrauchten Reduktionsgases über die Leitung 9a abgeleitet. Die Bezugsziffer 11 bezeichnet die Zuführung eines sauerstoffhältigen Verbrennungsgases, z. B. Luft, in den Brenner 10 Anschliessend wird das verbrannte, verbrauchte Reduktionsgas, welches eine Temperatur von etwa 1800 C aufweist, in der Vorrichtung 12, die beispielsweise ein Wärmetauscher, Reformer oder Wäscher sein kann, auf eine Temperatur in einem Bereich von 100-700 C eingestellt bzw abgekühlt.
Nach Passieren der Vorrichtung 12 wird ein Teil des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases über die Leitung 13 abgeleitet, und der verbleibende Teil wird mittels eines Verdichters 14 verdichtet und über die Leitung 15 als Sperrgas in das Dichtbein 3, welches zwischen dem Gefäss 2 für metalloxidhältiges Material und dem Schachtofen 1 angeordnet ist, geleitet.
Mittels des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases wird im Dichtbein 3 eine Gassperre 16 betrieben, wobei der Schachtofen 1 gegen das Gefäss 2 für metalloxidhältiges Material abgedichtet wird, so dass aus dem Schachtofen 1 kein Reduktionsgas, welches noch einen beträchtlichen Anteil an CO, H2 und CH4 enthält, in das Gefäss 2 für metalloxidhältiges Material gelangen kann Das erfindungsgemäss eingesetzte Sperrgas, nämlich verbranntes, verbrauchtes Reduktionsgas, ist kostengünstiger als herkömmlich eingesetzte Sperrgase, beispielsweise Stickstoff.
Das verbrannte, verbrauchte Reduktionsgas, welches auf eine Temperatur in einem Bereich von 100-700 C abgekühlt wurde, gelangt sodann in das Gefäss 2, um das darin befindliche
<Desc/Clms Page number 4>
metalloxidhältige Material vorzuwärmen. Durch die Vorwärmung befindet sich das metalloxidhältige Material beim Eintritt in den Schachtofen 1 auf einem höheren Temperatumiveau, wodurch das Reduktionsgas im Schachtofen 1 bis zu höheren Oxidationsgraden ausgenutzt werden kann Mit anderen Worten, es kann der Rauminhalt des Schachtofens 1 besser ausgenutzt werden. Durch diese Massnahme kann die Produktionskapazität des Schachtofens 1 aufgrund einer kürzeren Verweilzeit des metalloxidhältigen Materials im Schachtofen 1 erhöht werden. Ausserdem hat es sich als für die Reduktion vorteilhaft erwiesen, wenn die Erwärmung auf Reduktionstemperatur schnell erfolgt.
Dazu kommt noch, dass eine Erwärmung ohne Reduktanten zu keiner Oberflächenveränderung des Feststoffs führt.
Die Funktion der Gassperre 16 wird anhand der Fig 2 näher erläutert. Die Fig. 2 zeigt einen Teil der Fig. 1 in vergrössertem Massstab, wobei die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Anlagenteile stehen.
Über die Leitung 15 wird das als Sperrgas eingesetzte verbrannte, verbrauchte Reduktionsgas in das Dichtbein 3 gedrückt. Das Sperrgas strömt im Dichtbein 3 nach oben und dichtet auf diese Weise den Schachtofen 1 gegen das Gefäss 2 für metalloxidhältiges Material ab.
Gemäss einer bevorzugten Ausrührungsform der Erfindung wird schachtofenseitig zusätzlich zu der mit verbranntem, verbrauchtem Reduktionsgas betriebenen Gassperre 16 eine weitere Gassperre 17 mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, betrieben, um ein Eindringen des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases in den Schachtofen 1 zuverlässig zu verhindern Der Stickstoff wird durch die Leitung 18 in das Dichtbein 3 gedrückt. In diesem Fall kann die Abkühlung des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases einfach durch Zumischen von Luft erreicht werden. Auf diese Weise erhöht sich zwar der Sauerstoffgehalt, dies stört aber nicht, da die Gassperre 17 ein Eindringen in den Schachtofen 1 verhindert.
Mit den Pfeilen sind in der Fig. 2 die Strömungsrichtung des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases und des Stickstoffs dargestellt Das verbrannte, verbrauchte Reduktionsgas übernimmt die Funktion des Hauptsperrgases Der Stickstoff übernimmt die Funktion eines Hilfssperrgases und sorgt dafür, dass kein Hauptsperrgas in den Schachtofen 1 eindringen kann.
Um den Schachtofen 1 gegen das Gefäss 2 für metalloxidhältiges Material abzudichten, wird der Druck in der Leitung 15 vor dem Einmünden in das Dichtbein 3 auf eine dem Fachmann bekannte Weise mittels einer Vorrichtung 19 zur Differenzdruckmessung auf den im Schachtofen 1 herrschenden Druck abgestimmt. Es liegt auf der Hand, dass der Gasdruck in der Leitung 15 nach Passieren des Ventils 20 höher als der Druck des im Schachtofen 1 befindlichen Reduktionsgases sein muss. Das Ventil 20 wird durch die Vorrichtung 19 zur Differenzdruckmessung geregelt.
Zusätzlich wird der Druck in der Zuleitung 18 für Stickstoff so eingestellt, dass im Dichtbein 3 ein örtlich begrenzter Stickstoff-Gaspolster aufgebaut wird, der ein Eindringen des verbrannten, verbrauchten Reduktionsgases in den Schachtofen 1 wirksam verhindert.
Anhand der Fig. 3 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben.
Gemäss dieser Ausführungsform wird das Reduktionsgas zumindest teilweise aus einem schwach reduzierenden Gas, d. h. einem Gas, das einen hohen Gehalt an CO2 und H20 und einen geringen Gehalt an CO und H2 aufweist, hergestellt. Das schwach reduzierende Gas wird über eine Zuleitung 21 und einen Verdichter 22 einer Vorrichtung 23 zugeführt, worin CO2 und H20 weitgehend eliminiert werden, wobei ein stark reduzierendes Gas, d. h. ein Gases, das einen hohen Gehalt an CO und H2 und einen geringen Gehalt an CO2 und H20 aufweist, hergestellt wird.
Die Vorrichtung 23 kann beispielsweise als Druckwechselabsorptionsanlage ausgeführt sein
Von der Vorrichtung 23 führt eine Leitung 24 für das in der Vorrichtung 23 hergestellte stark reduzierende Gas zum Einlass 6 für Reduktionsgas. Zum Aufwärmen des stark reduzierenden Gases auf eine Temperatur von etwa 600-1000 C ist der Wärmetauscher 12 vorgesehen.
Von der Vorrichtung 23 führt weiters eine Zuleitung 25 für das in der Vorrichtung 23 aus dem schwach reduzierenden Gas eliminierte Oxidanten-reiche Gas zum Brenner 10, worin das Oxidanten-reiche Gas verbrannt wird. Das verbrannte Oxidanten-reiche Gas wird gemeinsam mit dem verbrannten, verbrauchten Reduktionsgas zum Vorwärmen des metalloxidhältigen Materials im Gefäss 2 eingesetzt.